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企业新闻网 2022-5-6 07:34 9741 0

手电筒射出的光子有多少,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

本文基于回答网友类似的题目,见截图:


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

简单回答:光会以无穷接近直线的方式射出。

光芒会遭到引力拉扯而曲折,但引力源必须很是庞大,地球的引力太小了,对每秒约30万千米的光来说根基可以疏忽不计。

这是由于地球引力对光来说太小了

万有引力对一切带有电磁感化力的物资都起感化,光是电磁感化力范围,而且光子是电磁辐射的前言,固然也遭到引力影响了。而且光子虽然没有静质量,却有动质量,引力是质量对时空扭曲致使的现象,是以光遭到引力所用就顺理成章了。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

爱因斯坦广义相对论以为,任何有质量的物体,城市扭曲周边时空,小质量小扭曲,大质量大扭曲,由于物体的活动,构成的时空曲率方式多种多样,但整体上就像在本身四周构成一个漩涡或圈套,任何物体经过这个漩涡或圈套就会遭到影响。

越大的天体构成的曲率越大,漩涡或圈套就越深越激烈,接近的小天体就有掉落到这个圈套或漩涡的趋向,假如速度不快,就会掉入深渊,表示出来就是被引力拉拽,终极掉落到大天体上。

前面提到的速度,是指速度越快的物体,逃走引力漩涡或圈套的几率就越大,逃出一个天体引力圈套的速度叫逃逸速度。计较逃逸速度的公式表达为:v=√(2GM/R),这里的v就是逃逸速度,G为引力常量,M为天体质量,R为逃离物体与天体质心间隔。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

地球质量约6*10^24kg,半径约6371km,按照公式我们可以计较出,地球概况的逃逸速度约11.2km/s。也就是说,在地球概况,只要到达每秒11.2千米的速度,就可以逃离地球引力。而光速是每秒30万千米,是11.2千米约2.7万倍,地球这点引力对光来说几近可以疏忽不计。

太阳质量是地球的33万倍,概况逃逸速度为617km/s,对每秒30万千米的光也影响甚微,否则太阳的光芒岂不就一向围着太阳转圈了,怎样可以来到地球呢?但太阳引力究竟比地球大多了,是以很多科学家在日全食时观察经过太阳四周的星光,发现偏转约1.66",与爱因斯坦广义相对论的计较根基符合。

是以,手电筒射向天空的光会根基接近完全直线。在量子力学里面,可见光是由光量子组成,而光量子具有波粒二象性。光子的寿命没有定论,但大都人以为,寿命无穷长,那末这束电筒射出的光,理论上就会永久在宇宙中飘零。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

究竟果然如此吗?非也。现实上,这束光射进来后,仅需几秒钟,就完全消失了,不见了。致使这束光消失的缘由大致有三个:1、光子与其他粒子碰撞,发生相互感化改变了轨迹;2、电筒光的散射,光子被稀释分离了;3、随着间隔拉远和宇宙收缩效应,光波逐步被拉长,成为不偏见的电磁波。

下面我们就这三个方面缘由会商一下:

光子碰到其他粒子会发生散射、衍射、吸收和转化

理论上,光射进来后,即使你封闭了手电筒,这束光也会像射出的炮弹一样,假如没有任何阻挡的话,就会一向飞下去。炮弹由于速度很低,在地球上会被重力拉扯,还会被空气阻力阻挡,是以其飞翔轨迹是一个抛物线,飞不了多远就落下来。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

但光子速度为每秒30万千米,地球引力几近可以疏忽不计,是以会一向飞下去,除非碰到阻挡。究竟上,光射进来后,一路上简直有很多障碍。在大气层里,主如果大气份子、灰尘的阻挡。

当光子碰到各类物资粒子时,就会发生反射、衍射、散射或吸收,一束光就会不竭衰减。

手电筒向天空射出的光,首先要经过浓密的大气层,地表大气密度为1.293kg/m^3,每立方厘米含有大气份子约2.6875*10^19个,也就是约17亿亿个,光子在这样浓密的大气中穿行,固然会被吸收消减得很快。

当碰到反射、折射、衍射时,光就改变了偏向,自然就不会顺着原定线路走了,这样光就削弱了;当光子撞击到大气份子或任何原子的电子时,能量就会被电子吸收,电子获得了额外的能量就会处于激起态,跃迁到更高能级,以后没有更多的能量补充,又会跃迁回到本来的能级,同时开释出一个光子。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

但这个光子已经不是本来的光子了,发射的偏向也不是曩昔的线路了,是以我们便可以以为这个曩昔的光子消失了。

即使到达太空,也不是绝对真空,也还有稀少的粒子存在,光子还会与这些粒子发生相互感化而转化。由此,这束光终极会消失殆尽。

光子还会由于电筒光斑分散而被稀释

手电筒虽然有聚光装配,但聚光才能较弱,射出的光是不竭分散的,而且与间隔成反比。分歧的手电筒发光能量纷歧样,聚光才能纷歧样,我们以一个发光功率为10瓦,聚光射角为10°的手电筒为例来计较一下。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

一个10瓦功率的灯泡,发生的能量为10J/s(焦耳/秒)。光子能量E=hc/λ,也就是即是普朗克常数乘以光速除以波长。

可见光是电磁波谱里面一个很狭窄的波段,波长约在380nm(纳米)到760nm之间,我们取一个均匀值为570nm。按照光子能量公式计较,获得每个波长为570nm的光子能量约为3.5*10^-19J。这样这束手电筒射出的10J/秒能量的光,光子总量约为2.86*10^19个,就是28.6亿亿个光子。

手电筒射出的光以10度角不竭分散,光斑就会不竭扩大,光子就会被稀释。射出30米时光斑半径约2.5米,3千米时光斑半径就有250米;300千米时光斑半径就有25千米;3000千米时光斑直径就有250千米了。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

这时,即使一切的光子都没有衰减,每平方米还有几多光子呢?我们按圆面积公式计较一下,得知在间隔手电筒3000千米时,光斑面积已经有约196349540849平方米,每平方米光子数还有约1.46亿个。假如人眼捕捉光斑面积为1厘米的话,那末每秒钟就还有145个光子进入视网膜,虽然已经很微小了,但还是能看到。

但在地球上,手电筒光走这么远是不成能的,浓密的空气早就会将这束光衰减没了,即使留下个体光子,人眼也很难感知到。

但即使在太空,这束光也传布不了1秒钟,由于光速是1秒30万千米,在30万千米的地方,这束光的分散半径就到达了25000千米了,光斑面积就有1963495408493621平方米,每平方米的光子数就只要14566个,1平方厘米的光子数就只要不到0.015个光子了。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

现实上,在手电筒光传布0.1秒,路程3万千米时,每秒可以进入人眼的光子只要不到1.5个了。对于人眼来说,一般要有6个光子才能感光,出格好的视力也需要3个光子,1.5个光子已经看不到了。

普通光源自己性质就是向五湖四海发散的,人们给光源装上一个聚光装配,才能让光向一个偏向传递,手电筒光源一般都是普通光源,是以没法传布更远。激光则是天生向一个偏向传布的光源,发散度很小,大约只要0.001弧度,是以就可以射得更远。

上世纪登月时宇航员们在月球上安置了几个激光反射装配,科学家们在地球上将激光发射到这个反射装配上,再接收反射返来的激光,按照发射和返回花去的时候,就可以精准丈量出地球与月球的概况间隔。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

固然,发射和接收装配都必须采用千里镜,依靠人眼是没法完成的。理论上,千里镜的主镜面积越大,聚焦获得的光子就越多,就可以看得越远。这里就不展开说了。

光速阔别和宇宙收缩致使光波拉长成不偏见光

我们晓得宇宙在收缩,间隔越远则收缩越快,光速在阔别我们以及宇宙收缩进程中,波长会发生多普勒效应。所谓光的多普勒效应,就是光源向着我们活动,就会被紧缩频次和波长,而与我们各走各路时,就会下降频次和拉伸波长。

可见光是复合光,也就是由多种色彩组成的光,且可以经过棱镜构成色散,波长从长到短大约分红红橙黄绿青蓝紫等色彩,波长拉长就是往红端移动,波长收缩就会向蓝端移动。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

这样,阔别我们而去的光就会构成红移,加上宇宙收缩,这类红移量就会越来越大,最初移出人眼能看到的760nm波长范围,成为红外线或无线电波,红外线以上波长的电磁波,人眼是看不到的。

这也是人们制造千里镜除了有光学结构的,还有无线电、红外、紫外和X射线、伽马射线等分歧电磁波波段的千里镜,这样观察远方暗弱天体,便可以填补人类眼睛感光的不敷。

是以,电筒射出的光在宇宙中会很快消失,理论上虽然有部分光子能够永久存在,但人们要捕捉到它就很难了,在很远的地方,即使捕捉到一个光子,也难以分辨是从那里来的,是什么物体发出的了。


手电筒射出的光子有几多,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

但假如一个庞大的恒星或星系,由于其发出的光子量实在太大了,且其中包括能量很强的X射线、γ射线,是以即使间隔我们100多亿光年,也会被人类看到。不外不是仅凭肉眼,而是依靠各类大型紧密的千里镜,还需要操纵宇宙中的引力透镜,才可以观察到。

宇宙微波布景的光子,就是在宇宙大爆炸38万年后发出的,已经走了138亿年,虽然很微小,还是被科学家们捕捉到,这说明光子的寿命是超长的。

就说到这吧,接待会商,感激阅读。

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